Impact de la dégradation des pergélisols sur la diffusion de CH4 et de CO2

Objectifs du projet et verrous à lever
Ce projet a pour objectif d’utiliser l’expérimentation pour mieux contraindre l'impact de la dégradation des pergélisols sur la diffusion de CH₄ et de CO₂ dans l'atmosphère et les océans. Cet impact est actuellement très discuté. De nombreux experts mettent en évidence le manque de données de terrain en domaine continental quant à la production et au relargage du méthane des wetlands des hautes latitudes accompagnant la dégradation des pergélisols. Le suivi expérimental en laboratoire offre des possibilités uniques d’acquisition de données détaillées dans un cadre qui peut être aisément contraint avec des pas de temps accélérés, quand les pergélisols sont difficiles d’accès, avec des périodes d’acquisitions des données obligatoirement longues (plusieurs années). Le projet consistera donc à adapter la plate-forme CRYOEX (cf. le forum Groupes transversaux/Modélisation) pour l’élargir à l’étude de pergélisols incluant de la matière organique et des microorganismes qui induisent des processus de méthanogenèse.

Au plan expérimental, de nouveaux dispositifs devront être mis au point pour la mesure des transferts de C0₂ et CH₄ sous forme gazeuse et dissoute depuis les pergélisols vers l’atmosphère et l’eau. Cette contrainte oblige à concevoir des expérimentations en milieu fermé avec des analyseurs de gaz.
Un autre challenge à relever est celui du suivi des quantités d'eau mises en jeu et des échanges (apports / évaporation-sublimation) qui devront être mesurés avec précision afin de pouvoir prendre en compte les effets de l'enthalpie de fusion de la glace. Cette mesure est loin d’être simple dans des milieux gelés où l'effet de la cryo-succion augmente la quantité d'eau transitant dans le sol, facilitant la constitution de lentilles de glace de ségrégation, et modifie perpétuellement le transfert de chaleur en redistribuant les masses d'eau et de glace.
Enfin au plan thermique, les fronts de gel et de dégel seront analysés. Pour cela on suivra (i) la part des différents modes de transfert de chaleur dans les sols gelés : conduction, advection, diffusion, (ii) l'influence du rayonnement sur le transfert de chaleur dans les sols, fonction des caractéristiques physiques (granulométrie, masse volumique, perméabilité, émissivité de surface, teneurs en matière organique, en eau, en glace, conductivité hydraulique, diffusivité thermique...), des conditions de température et de précipitations, de l'épaisseur de la couche active.

Originalité du projet et ses caractères exploratoire & interdisciplinaire
Ce projet est interdisciplinaire et innovant. Il regroupe des chercheurs aux compétences complémentaires autour d’un objet commun, le pergélisol et d'une thématique commune, le réchauffement climatique. L’approche est originale et repose sur l’association entre expérimentation en enceinte de gel, thermodynamique et analyse microbiologique. Cette démarche doit permettre d’affiner la compréhension des processus thermiques, hydrauliques et microbiologiques en jeu lors du réchauffement d’un pergélisol. Le projet doit permettre de développer de nouvelles techniques de mesure pour l’expérimentation en conditions périglaciaires. La première étape sera de concevoir de nouvelles enceintes de gel en milieu "fermé" permettant le contrôle des échanges gazeux. Dans ces enceintes il faudra pouvoir mesurer les variations exactes d'hygrométrie à la surface des modèles pour quantifier les pertes en eau et les parts respectives de l'évaporation et de la sublimation. Le suivi et la mesure du transfert de chaleur (propagation des fronts de gel et de dégel) est indispensable. Les capteurs insérés dans le pergélisol ne sont pas des marqueurs totalement fiables car ils subissent des déplacements verticaux lors du gonflement des sols. L'acquisition d’équipements type résistivimètre ou GPR sera indispensable pour localiser le toit du pergélisol et ainsi définir l’épaisseur de la couche active.

Équipes impliquées
- UMR 6143 M2C, Marianne Font-Ertlen, Mcf (conception des protocoles expérimentaux, traitement, analyse et interprétation des données), Jean-Louis Lagarde, Pr (conception des protocoles expérimentaux, interprétation des données), Daniel Amorèse, Mcf (mesures géophysiques, modélisation numérique), Fabienne Petit, Pr (conception des protocoles expérimentaux, analyses et interprétation microbiologiques), Anthony Dubois, AI (adaptation, étalonnage et test des systèmes d'acquisition, traitement des données), Alain Pupin, T (adaptation technique des modes l'acquisition aux modèles).
- UMR 8148 IDES, François Costard, DR CNRS (conception des protocoles expérimentaux, interprétation des données)
- UMR 7619 Sisyphe, Anne Jost, Mcf (expertise hydrologique et hydrogéologique, modélisation numérique de l'hydrosystème souterrain)
- UMR 5183 LGGE, Gerhard Krinner, DR CNRS (expertise interaction surface/atmosphère, interprétation des données)